合肥南站主站房承轨层结构设计

郭 燕

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

合肥南站主站房承轨层结构设计

郭 燕

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

合肥南站站房由售票、广厅、高架候车、出站厅等客运服务部分、车站办公管理服务用房及设备用房组成，站房面积约为9.92×104m2，主站房最大平面尺寸为170.0 m×279.65 m，为地上3层(局部4层)大跨度、大平面框架结构。承轨层采用“钢骨混凝土柱+普通钢筋混凝土柱+钢骨混凝土梁+普通钢筋混凝土梁”结构，提高了出站层的建筑净空和使用面积，结构具有较好的抗震性能且施工方便。承轨层结构分别根据桥梁规范的概率极限法和建筑规范的容许应力法进行设计。

桥建合一； 钢骨柱； 钢骨梁； 承轨梁； 概率极限法； 容许应力法

1 合肥南站主站房概况

合肥南站站房为国内铁路枢纽站房，由售票、广厅、高架候车、出站厅等客运服务部分、车站办公管理服务用房及设备用房组成，站房面积约为9.92×104m2。合肥南站车站建筑部分主站房分为地上二层、地下三层，局部设置夹层。其中地下三层为地铁1、5号线站台层；地下二层为地铁1、4、5号线共用站厅层，采用钢筋混凝土箱型框架结构，并与站房柱结为整体；地下一层为站房客流疏散和轨道交通客流交换厅，采用钢筋混凝土框架结构(部分型钢混凝土结构)。

主站房地面层为列车通过层，即承轨层(-2.150 m)。采用双向平面框架结构，部分为型钢梁柱，楼板为无粘结预应力现浇板。桥建合一，框架梁上分别承受承轨结构体系和站台板梁板结构体系。

2 合肥南站承轨层结构体系

合肥南站主站房采用铁路轨道桥梁和房屋建筑融合在一起的桥建合一结构体系，即列车从站房中的承轨层通过或停留上下旅客。承轨层结构采用双向框架结构(框架结构中的框架柱即是桥墩，框架梁即是桥面梁)。

2.1 承轨层结构主要特点

2.1.1 桥建合一的结构设计

为了在建筑层高一定的条件下，尽可能地减小框架梁的结构高度和框架柱的截面尺寸，增加出站层的净空高度和使用面积，主站房中承轨层以上站房的结构柱在站场范围内与承轨层柱重合，且承轨层采用双向刚接框架结构，形成桥建合一的站房结构。承轨层结构既是桥梁结构，又是站房的底层结构(属于建筑结构)。承轨层结构设计需同时满足铁路桥梁结构和建筑结构的规范、规程和规定，但上述两种结构采用的规范、规程和规定差别较大，最主要的差别如下：

(1)铁路桥梁结构的设计基准期和设计使用年限均为100年；而建筑结构的设计基准期为50年，设计使用年限一般也为50年，若采用100年的设计使用年限，则在荷载取值及组合方面均要调整[1]。

(2)设计方法不同。铁路桥梁结构一般采用允许应力法；建筑结构采用概率极限状态法。

(3)荷载取值和组合方式不同，且桥梁结构需考虑动载，建筑结构以静载为主。

(4)对结构竖向和水平方向的变形(包括差异变形)的要求，铁路桥梁规范[2，3]远高于建筑结构的规定。

2.1.2 结构分缝

主站房双向平面尺寸均很大，且位于7度区，温度作用和地震作用均为其主要作用，两种作用(尤其是温度作用)在大平面结构中产生的侧向变形较大，难以满足桥梁结构侧向变形的要求。为此，在楼盖平面设计防震缝将大平面结构分为相对较小的平面结构单元，以降低温度作用，减小结构的侧向变形。

2.2 承轨层结构

2.2.1 结构防震缝的设置

承轨层的楼面标高为-2.150 m，在垂直于轨道方向，利用正线的桥梁结构和北站房防震缝的分割将平面框架南北向分成四部分，自南向北分别为170 m×93.65 m(A～E轴)，170 m×116.8 m(G～M轴)，170 m×92.8 m(P～3/S轴)，170 m×57.85 m(T～Y轴)。

分缝后，站台层桥梁部分最大平面尺寸为170 m×116.8 m，较大幅度地降低了结构中的温度作用，以满足铁路桥梁在最不利荷载作用下，横向位移引起的梁端水平折角不大于1‰的要求。

站房范围内顺轨方向柱距为(12+20×2+21+24+21+20×2+12)m，而垂直于轨道方向柱距为10.5 ～13.5 m。

2.2.2 承轨层桥梁结构体系

承轨层桥梁结构采用“钢骨混凝土柱+普通钢筋混凝土柱+钢骨混凝土梁+普通钢筋混凝土梁+无粘结预应力混凝土板”结构体系，有以下特点：

(1)钢骨混凝土柱与钢骨混凝土梁的梁柱节点，框架梁内大部分纵筋不穿越柱中钢骨，与钢骨柱连接的钢筋采用加劲板加强，并采用螺纹连接，方便施工，确保梁柱节点的施工质量。

(2)顺轨向柱距为10.5～13.5 m，垂直轨道方向最大柱距为24 m，双向框架梁截面高度均为2.4 m，梁下结构净空高度(即出站层净空高度)为6.25 m，有效地增加了出站厅层的净空，达到预期目的。

(3)站台采用普通钢筋混凝土框架结构，钢筋混凝土小柱支承于梁上，如图1的站台板层垂直轨道方向结构剖面示意图，以减小结构自重，方便施工。

图1 站台板层垂直轨道方向结构剖面示意

(4)承轨层结构除板采用无粘结预应力外，其余结构均为钢筋混凝土或钢骨混凝土梁，无预应力梁，有利于加快施工进度。

2.2.3 结构材料

钢筋混凝土柱及型钢混凝土柱的混凝土采用C50，梁和板采用C45。钢筋采用HRB335和HPB235钢筋。钢骨混凝土柱中的钢材采用Q345B钢板制作。

3 结构分析与设计

3.1 分析模型和分析软件

作为桥建合一结构，将主站房桥梁结构和站房结构整体建模进行分析。整体结构分析采用MIDAS GEN(Version 7.30)程序。承轨层桥梁结构采用MIDAS CIVIL 2006 V7.41版本中的铁路桥梁模块进行设计，以确保构件设计与铁路桥梁标准相吻合。站场结构的抗震设计分别满足文献[7]、[8]的要求。

3.2 站房建筑主要荷载和作用

设计基准期：设计基准期为50年，主体站房耐久性为100年,南北站房耐久性为50年。

3.2.1 承轨层模型的主要荷载取值

(1)活荷载标准值按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(2006年版)取值。

(2)基本风压W0=0.40 kN/m2(按100年一遇取值) ，地面粗糙度类别为B类，体型系数按规范和风洞试验结果比较,以取大值为原则取值。

(3)基本雪压S0=0.70 kN/m2(按100年一遇取值)。

(4)抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为0.35 s。主站房建筑抗震设防类别为乙类建筑，按设防裂度7度进行抗震设计，按设防裂度8度采取抗震措施。

根据《沪汉蓉快速铁路引入合肥枢纽南环线工程合肥南站》(许可证号：震地安证甲字第零二八号，震地安证甲字第零一三号) 提供的50年超越概率63%场地地震反应谱动参数确定和《建筑抗震设计规范》(2008版)提供的50年超越概率63%的场地地震反应谱动参数确定，阻尼比0.05。

(5)温度作用：根据合肥市的气象资料，合肥市的平均气温7月份最高为28.1℃,1月份最高为2.6℃，全年平均气温15.7℃，气候温和。考虑结构合龙环境温度为10～15℃,结构设计中温度作用取值为升温15℃和降温10℃。

(6)恒荷载标准值：各功能房间恒载标准值依据建筑专业提供的“材料做法表”、“房间装修用料表”、“室内装修做法表”计算。

钢筋混凝土容重取26.0 kN/m3。结构构件(板、梁、柱)自重由程序自动计算。

(7)列车荷载作用：

列车荷载(由桥梁专业负责提供并输入)，考虑了以下8种荷载：轨道结构重量(12.5 kN/m2)、制动力单线、制动力双线、横向摇摆力、ZK荷载单线(66.3 kN/m)、ZK荷载双线(66.3 kN/m)、空车活荷载(10.0 kN/m)、ZK荷载满载(49.7 kN/m)。

(8)收缩徐变作用：承轨层结构对混凝土梁、柱、板构件均考虑了1 500天的收缩徐变作用影响。

3.2.2 荷载组合主要控制工况

各荷载的分项系数、组合值系数、频遇值系数按《建筑结构荷载规范》取值。

3.3 承轨层桥梁结构荷载和组合

3.3.1 荷载

桥梁结构的设计基准期和设计使用年限均为100年，承轨层铁路桥梁结构荷载及组合按铁路桥梁相关规范确定。主要荷载如下：

(1)恒载(主力)：上部建筑结构恒载+活载；承轨层结构自重及附加设备重；混凝土收缩与徐变作用；基础变位作用。

(2)活载(主力)：竖向活荷载(ZK标准活载)；列车竖向动力作用；长钢轨纵向水平力；横向摇摆力；站台层人群荷载。

(3)附加力：制动力和牵引力；风荷载；温度作用。

(4)特殊荷载：地震作用；长钢轨断轨力；消防荷载。

3.3.2 荷载组合

考虑到火车荷载在连续梁上的不利布置，利用影响线计算方法，找出在移动火车荷载下连续梁在支座和跨中的最大弯矩和梁端的最大剪力，并依此进行连接梁的构件设计。荷载组合按桥梁规范执行，根据实际线路加载工况进行列车组合。组合原则：(1)同一根钢轨的伸缩力、绕曲力、断轨力相互独立，不作叠加；(2)伸缩力、绕曲力、断轨力不与同线的离心力、牵引力或制动力等组合；(3)伸缩力、绕曲力按主力考虑，断轨力按特殊荷载考虑。设计控制工况为：恒+动活载+人群+降温。

荷载组合分别按主力、主力+附加力和有车(无车)抗震进行组合，取最不利组合进行设计。

3.4 构件设计

根据MIDAS程序的分析，可得出构件内力值,再根据内力进行核算，核算结果如表1所示：

表1 框架梁核算结果

表2 柱核算结果

4 结束语

(1)合肥南站主站房结构在多遇地震下反应谱分析、多遇地震弹性里程分析、多维多点地震反应分析、中震弹性分析和结构动力弹塑性分析表明，结构具有良好的抗震性能，结构设计能满足现行规范及建设部对超限高层建筑的要求[4]。

(2)桥建合一承轨层结构选用钢骨混凝土柱+钢筋混凝土柱+钢骨混凝土梁+钢筋混凝土梁+无粘结预应力混凝土板的结构，作为重要铁路交通建筑按建筑结构规范进行设计，并按铁路桥梁规范复核。

(3)通过合理的结构选型和布置，并进行适当的防震缝设置，楼盖结构具有良好的经济技术指标。

(4)框架梁设计时，由于地震、温度、收缩徐变等作用,使得框架梁的梁端负弯距远大于跨中正弯距。为了避免框架梁负筋过多过密,可将框架梁的负弯距考虑削峰，相应乘以0.9的系数。

(5)考虑桩土共用作用后，由温度作用产生的最大柱底弯矩可降低15%[10]。

(6)桥建合一承轨层结构的计算必须分别按有关建筑规范和铁路桥梁规范围进行计算，在满足各自对应规范所要求的强度、变形、裂缝的前提下，取两者之间的大值作为构件的截面和实际配筋。

[1] GB50153-2008 工程结构可靠性设计统一标准 [S]

[2] 铁建设[2007]47号 新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定[S]

[3] TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范 [S]

[4] 合肥南站站房工程抗震设防专项审查报告[R].2008

[5] 韩林海，杨有福. 现代钢筋混凝土结构技术 [M]. 2版, 北京：中国建筑工业出版社，2007

[6] 邱剑，叶志雄，温四清，谢先义. 承轨结构设计采用铁路规范与建筑规范的比较 [J]. 铁道工程学报,2012,(11):78-81

[7] GB50111-2006 铁路工程抗震设计规范 [S]

[8] GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S]

[9] 周德良，李霆，熊森, 等. 郑州东站站房主体结构设计 [J]. 建筑结构,2011,(7):50-58

[10] 中铁二院，西南交通大学岩土工程系地基基础研究所.合肥南站国铁和地铁结构整体基础沉降及沉降差计算分析报告[R].2010

郭燕(1983～)，女，工程师，一级注册建造师。

U291.6+1

A

[定稿日期]2015-01-19